淺地表地球物理技術在巖土工程中的應用與挑戰

林志平， 林俊宏， 吳柏林， 劉興昌， 洪瑛鈞

1 臺灣交通大學土木工程學系， 新竹 300 2 臺灣交通大學防災與水環境中心， 新竹 300 3 臺灣金門大學都市計劃與景觀學系， 金門 892

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淺地表地球物理技術在巖土工程中的應用與挑戰

林志平1， 林俊宏2， 吳柏林2， 劉興昌2， 洪瑛鈞3

1 臺灣交通大學土木工程學系， 新竹 300 2 臺灣交通大學防災與水環境中心， 新竹 300 3 臺灣金門大學都市計劃與景觀學系， 金門 892

地球物理勘探方法在巖土工程的應用已有很長一段時間，但其成效與工程師的期待往往有不小的落差，以致于在一般的工程應用上仍不普遍.近年來淺地表地球物理技術有顯著的進展，特別是在走時速度層析成像(Traveltime Tomography)、電阻率層析成像法(Electrical Resistivity Tomography)及多道瞬態面波法(Multi-channel Analysis of Surface Wave).本文首先介紹這些方法在臺灣巖土工程的應用，主要包括地層土壤液化潛能評估、壩體的安全檢測、土壤與地下水污染調查及地基改良的質量管控等，應用案例以臺灣常使用的地球物理勘探方法逐一介紹.雖然許多成功案例與新的應用方向對于淺地表地球物理技術在巖土工程應用的推廣起了鼓舞作用，本文從工程師的角度提出地球物理勘探工程大量應用的挑戰與瓶頸，包括如何提升探測數據的客觀性、數據反演非唯一性問題、探測深度與分辨率的限制、實際條件違背反演基本假設的情況、以及地物性質與工程性質鏈接的不確定性問題，并進一步針對這些問題說明相關研究的進展與實務對策.希冀透過上述探討，降低物探師與工程師認知上的差距，提升地球物理勘探在工程的應用的合理性與普及性.

淺地表地球物理； 巖土工程應用； 走時速度層析成像； 電阻率層析成像法； 多道瞬態面波法

1 引言

場址地下地層與地下水分布的調查為巖土工程主要的工作之一，傳統的場址調查技術主要以鉆探或原位貫入試驗為主，鉆探方法可直接取得地層樣本進行地層分類及工程力學性質試驗，貫入試驗，如標準貫入試驗(Standard Penetration Test, SPT)及圓錐貫入試驗(Cone Penetration Test, CPT)，可直接量測力學反應，鉆探與貫入試驗的空間分辨率極高，但取樣空間與量測范圍??；相對地，地球物理勘探在于獲得地層的物理性質(例如彈性波速、電阻率及介電度)分布，其量測范圍甚廣、取樣空間較大，因此空間分辨率較低.因為這樣的特性差異，且地球物理勘探技術具有非破壞性、經濟、快速的優點，地球物理勘探被期待可扮演與傳統的鉆探及原位測試良好的互補角色，提供鉆探前的場址初步調查，并由傳統鉆探與原位測試點的調查結果，延伸到線、面甚或三維立體的信息.

早期的巖土工程的地球物理勘探主要利用跨孔震測(Crosshole Seismic Testing)、下孔震測(Downhole Seismic Testing)、折射震測(Seismic Refraction)及雙道面波頻譜分析(Spectral Analysis of Surface Wave)等方法量測彈性波速剖面，較常的應用在于以不擾動的方式獲得土壤動態性質或地層承載變形分析所需之彈性模數(Stokoe, 2004)，這些方法主要探測深度一維的速度剖面，提供工程分析需要的參數.折射震測另常用于決定巖盤深度，特別是邊坡的覆土厚度分布的勘查，一般提供二至三層不同速度的二維分布.由于土壤與地下水污染及地下水資源等新興議題的帶動，巖土工程場址勘查的范圍也擴展到水文地質與地下污染偵測，在這方面所應用的方法則以電法為主(Greenhouse et al., 2004)，例如直流電法(DC Resistivity Method)及電磁法(Electromagnetics)，但相較于震測方法可直接獲得巖土的彈性模數，電法所獲得的電阻率除了反應地層孔隙率與飽和度的差異，或地下污染物的濃度，亦受到土壤粒徑分布、礦物成分、水質鹽度、溫度等因素所影響，因此在物探結果的工程判釋仍具挑戰性.物探方法在巖土工程的應用已有很長一段時間，但除了較為直接的跨孔與下孔方法，其成效與工程師的期待往往有不小的落差，以致于在一般的工程應用上仍不普遍.

由于淺地表資源與環境的重要性，以及計算機科技的快速進展，近年來淺地表地球物理技術有顯著的進展，特別是在走時速度層析成像、電阻率層析成像及多道瞬態面波等方法，這些方法提供更詳細的圖像化結果，滿足工程師透視地層內部的渴求.本文介紹淺地表地球物理勘探技術在巖土工程的較新應用，主要包括地層土壤液化潛能評估、壩體的安全檢測、土壤與地下水污染勘查及地基改良的質量管控等，應用案例以臺灣常使用的地球物理勘探方法逐一介紹.雖然許多成功案例與新的應用方向對于淺地表地球物理技術在巖土工程應用的推廣起了鼓舞作用，本文從工程師的角度提出物探在工程大量應用的挑戰與瓶頸，包括如何提升探測數據的客觀性、數據反演非唯一性問題、勘探深度與分辨率的限制、實際條件違背反演基本假設的情況、地物性質與工程性質鏈接的不確定性問題、以及探測標準化與客觀化的需求，并進一步針對這些問題說明相關研究的進展與實務對策.希冀透過上述探討，降低物探師與工程師認知上的差距，提升地球物理勘探在工程的應用的合理性與普及性.

2 淺地表地球物理技術應用案例

2.1 走時層析成像法——混凝土壩檢測

此案例利用走時層析成像法檢測混凝土壩體強度分布，案例水庫為一老舊混凝土拱形重力壩，近期水庫安全評估之施密特錘以及鉆芯之成果均顯示壩體表面強度不足(臺灣自來水公司，2008)，為檢視整體內部混凝土強度的狀態，規劃彈性波層析成像探測進行檢測(林志平和林俊宏，2012).依據現場條件及需求，共計規劃五處彈性波層析成像勘探剖面(圖1a)，測線剖面編號L1、L2及L3為沿壩軸方向之垂直剖面，L1與L2測線位于右岸側，L3則靠近左岸側，震源設置于下游壩面，接收器則置于上游壩面(包含水下至淤積庫床處，如圖1a所示).H1與H2剖面則為水平走向橫切壩體且向下游方向下傾之剖面，震源設置于下游壩面，沿壩軸方向水平施測；接收器則水平設置于上游壩面水下之淤積庫床上，H1剖面斜切垂直剖面L1與L2，下傾角度約23.56°；而H2則斜切L3剖面，下傾角度約為21.67°.現場數據采集使用美國Geometrics公司之Strata View全功能震測儀，接收器以及震源間距為1 m，接收器為28 Hz速度型水中受波器，采用橡膠錘作為人工敲擊式震源，施作時以攀爬掛梯之方式進行敲擊，現場數據以德國Geotomographie公司所發展之GeoTom CG進行數據反演分析.圖1b依測線相對位置及傾斜角度呈現壩體P波速度層析成像結果，結果顯示壩體整體波速約在3.0～4.2 km·s-1范圍之間，根據P波速度與混凝土強度之經驗關系(Whitehurst, 1951)，最低速區仍可達質量分類“可”之下界，且皆出現于下游壩面表層附近，其向壩體內部弱化多僅限于1～2 m范圍，且其波速降低多呈現沿壩軸方向均勻帶狀分布，并無明顯因破裂劣化造成之明顯向內部延伸之弱帶出現.由此勘探結果可合理說明水庫安全評估中所獲得之混凝土強度成果偏低主要原因在于其僅在壩體下游面表面施作，壩體下游表面受到長時間風化的影響較為嚴重，而使得勘探結果顯示有混凝土強度不足這樣的疑慮，但是對于整體而言，壩體混凝土強度尚可.本案例展現了現代近地表地球物理技術可以提供土木與巖土工程詳細的圖像化結果，滿足工程師透視地層與結構內部的渴求.

圖1 (a)混凝土壩體彈性波速層析成像探測現地施作規劃示意圖； (b)層析成像垂直剖面(L1—L3)震源及接收器布置示意圖； (c)震波層析成像速度剖面柵狀圖Fig.1 (a) Field configuration of seismic tomography field testing at a concrete dam; (b) Cross-sectinal schematic of source and receiver layout for L1—L3; (c) Fence diagram of the seismic tomography results

圖2 (a) 壩頂測線(Line A)與下游殼層測線(Line B)電阻率層析成像結果的2.5-D 呈現；(b) 鄰近壩面異常滲漏位置2(EL.46 m)、4(EL.62 m)剖面之低電阻位置信息與壩體水壓計(Q3、Q4)觀測結果，虛線箭頭表示可能滲流路徑，下方虛線表示地下水位.Fig.2 (a) 2.5-D representation of ERT results by combining Line A at dam crest and Line B on downstream face; (b) The low resistivity zones from ERT and hydraulic heads from piezomters on the dam cross-section near abnormal leakage spots 2 (EL.46 m) and 4 (EL.62 m). The dashed arrow and dashed line represent the potential seepage path and phreatic line, respectively.

2.2 電阻率層析成像法——土石壩異常滲漏及土壤與地下水污染勘查

2.2.1 土石壩異常滲漏勘查案例

圖2顯示應用電阻率層析成像法輔助調查臺灣北部某一水庫土石壩滲漏機制之案例，此案例水庫為了增加庫容量而加高壩體，但加高蓄水超過原舊壩頂高程后，于大壩下游坡面發現數處異常滲漏(Lin et al.，2013b).由于壩的左右山脊地質條件不是十分良好，因此加高前于左右壩座分別進行隔幕灌漿，由于首先發現壩面異常滲水之位置較接近左壩座，初期工程人員推測為庫水經左山脊滲漏至下游殼層；水庫管理單位為解決異常滲水問題，另于左壩座再施作一道隔幕灌漿，但滲漏問題仍無法獲得改善.為了勘查壩面異常滲漏之機制，分別在左壩座、壩頂和下游面通達道路三處布設三條二維ERT測線，現場施測采用電極間距5 m的Wenner排列，數據采集采用法國Syscal Pro Switch48電法儀，數據反演采用Res2Dinv軟件進行分析.其中壩頂(Line A)及下游壩面(Line B)兩條測線施測結果如圖2a所示，可發現各有兩處異常低電阻區，疑似為兩處對應的異常滲流路徑.由于電阻率除了受到地下含水飽和度的影響，其數值的高低亦取決于地層材料的成分與粒徑分布，難以單從地電阻影像的結果即斷定兩處低電阻區域為異常滲流區域.因此，圖2b將左側低電阻位置信息與壩體水壓計觀測結果(Q3、Q4)及壩面異常滲漏目視檢查結果在鄰近同一斷面整合，結果顯示兩處低電阻區域仍遠高于地下水位，但兩處低電阻區上下鏈接的疑似滲漏路徑正好對應壩面主要滲漏位置4(位于圖2b所在的斷面).另外，兩條測線右側的另一組低電阻區正好對應壩面主要滲漏位置3，壩面異常滲漏位置1、2則分別位于壩面滲漏位置3、4下游側的戧臺，可能是滲漏位置3、4沿著壩面拋石層往下游滲流至戧臺滲出.電阻率層析成像結果有助于發現異常滲漏的地下通道，但其判釋更需整合電探反演結果及相關水文地質與壩體觀測資料.壩面滲水及圖2所揭露之可能滲漏路徑高出地下水位甚多，這說明下游面的滲漏并非由水庫的穩態滲流造成，根據滲漏量水堰的監測結果，大量的滲漏主要發生在降雨過后.因此推估可能的滲漏機制為壩體降雨入滲因壩體材料透水性非均質在相對較不透水層產生棲止水(低電阻顯示的濕潤區)，棲止水最后沿接口滲出壩面之滲漏位置3、4，或部分再往下流至壩面滲漏位置1、2.本文將于3.4節進一步探討如何利用時序監測數據定量分析，驗證調查結果及所推估之滲漏機制.

2.2.2 土壤與地下水污染調查案例

本案例是眾多淺地表物探方法在環境污染調查應用例子之一，目的在展示說明如何利用物探方法協助土壤與地下水污染之場址調查及整治過程的監控.案例場址為臺灣北部運作中的金屬制品制造業工廠，工廠設立20年以上，從事電鍍、表面涂裝等具高污染風險之制程，早期使用三氯乙烯(TCE)做清洗用途，廢液暫存區無完善保護措施，廢水處理設施大部分皆為地下式，可能因老舊破損造成滲漏.基于DNAPL(Dense Non-Aqueous Phase Liquid，重質非水相液體)與周圍土壤介質間電學物理性質的差異(Reynolds, 2011)，本案例采用ERT測線布置于地下污染潛勢較高區域，再于地球物理所描繪出高污染潛勢區搭配監測井采樣進行驗證，ERT測線位置與相關污染潛勢區如圖3a所示.本場址表層屬更新世中壢層，地層組成為紅土夾礫石、砂及黏土，圖3b為ERT探測結果，測線整體電阻率呈現200m以下，電性地層主要出現兩個高電阻率異常，依序為測線水平距離約35 m與70 m處，其中35 m處接近TCE存放區，TCE純相不導電，因此污染區電阻率可能為相對高電阻率，且高電阻率等值線有向下延伸區域，符合DNAPL特性，故于該處設置監測井MW9913-03采樣驗證.而70 m處之異常高電阻率團，由探地雷達推測為人工管線經過所造成的干擾，人工管線因為有外露部分，得知材料為PVC管，造成異常高電阻區.采樣驗證監測井之地下水三氯乙烯(TCE)濃度49.3 mg/L，超過臺灣管制標準986倍.因應污染緊急應變措施，灌注生物復育藥劑EOS，灌注最大深度約17 m，監測井MW9913-03之地下水TCE濃度自整治前之49.3 mg/L下降至0.798 mg/L，整治后再進行一次ERT施測.利用地電阻時間變化TimeLapse反演，整治后結果如圖3c所示，先忽略受到人工構造干擾的區域，結果顯示污染區域電阻率前后差異甚大，明顯受到藥劑改善所影響，未注藥區之電阻率幾乎沒有變化，且顯示電阻率改變區僅局限在井周圍約2 m范圍，此亦間接推測藥劑影響范圍.這一案例展示了物探方法在工程過程的監控價值.

圖3 (a) ERT測線與相關污染制程位置圖； (b) 整治前地電阻影像探測成果； (c) 整治后地電阻影像探測成果Fig.3 (a) ERT survey line in potential contamination area; (b) Inverted resistivity cross-section before treatment; (c) Inverted resistivity cross-section after treatment

2.3 瞬態面波法——土壤液化潛能與土壤改良成效評估

2.3.1 土壤液化潛能評估案例

土壤液化為受地震影響區域重要的潛在地質災害，雖然液化潛能的評估方式甚多，最廣為應用的以圓錐貫入試驗(CPT)與標準貫入試驗(SPT)的簡易法為主(Youd et al., 2001)，但點狀的貫入試驗于現場無法密集執行.Andrus和Stokoe(2000)提出以剪力波速評估液化潛能的方法，在瞬態面波法的聯合應用下，可使更加全面性的現地液化潛能評估得以實現(Lin et al., 2004).1999年臺灣中部發生的9·21集集大地震，在臺灣中西部許多地方產生土壤液化現象.為評估該區域未來可能發生液化的情形，展開了一系列的勘查與研究，在數處包含于地震期間產生液化的場址，應用瞬態面波法進行地層液化潛能的掃描.利用瞬態面波法結果進行液化潛能評估的方法詳見Lin等(2004)在一研究試驗站詳細的評估與驗證，本文舉例說明典型的結果.這一案例位于臺灣中部彰化地區，地震期間于地表觀察到相當程度的噴砂現象，瞬態面波法以24個間距為1 m的地音計進行，采用15 m的近站支距，共移動震源10次，每回移動23 m，將各次展距獲得之剪力波速剖面整合可得到擬二維的速度影像，如圖4a所示.圖4a顯示除了近地表，深度大約在5～10 m之間的剪力波速偏低，將此剪力波速剖面影像所表示之剪力波速值套用Andrus和Stokoe(2000)所提出之剪力波速液化潛能評估法可獲得二維液化潛能影像，如圖4b所示.藉由控制影像色階對照值，可將所關心的潛在地質災害區域顯現出來，使得我們得以“看見”地表下需加以進行處理的深度范圍與區段.上述二維剪力波速成像技術于巖土工程問題之應用上具有極大的潛力，由于土壤液化一般發生在覆土壓力較小的20 m深度以內，正好適合主動式瞬態面波法的勘探深度范圍.然而不可諱言的，此一技術尚有其應用上之限制存在，目前的面波勘探技術本質上是一維的方法.每次測線假設地層為水平層狀，

圖4 (a) 臺灣彰化地區某液化場址利用瞬態面波法所得到之二維剪力波速剖面影像；(b) 透過剪力波速液化潛能評估法得到對應之液化潛能安全系數剖面Fig.4 (a) Two-dimensional shear wave velocity profile from MASW at a liquefied site in the central Taiwan; (b) Two-dimensional profile of the factor of safety against liquefaction based on the shear-wave velocity liquefaction evaluation method

但為了獲得長波長的信息以達到足夠勘探深度，必許采用長展距進行施測，目前的施測方法難以兼顧勘探深度與側向分辨率.本文將于3.3節針對這些問題進一步探討.

2.3.2 土壤改良成效評估案例

地盤改良(Ground improvement)技術是為改善基地地層工程性質，以提高承載、減少變形或抗液化潛能，例如前一個案例(圖4b)顯示地層內部具有相當大范圍的高液化潛能區域，若欲于該場址興建結構物，可能需要進行地盤改良.其中，高壓噴射灌漿工法(High pressure jet grouting)系地盤改良常見的工法之一，其以高泵將硬化材料灌入套管中，并經由一特制小口徑的噴嘴由地下水平噴出，產生高壓噴射攪拌流以切削地盤，同時旋轉及提升鉆桿，使硬化材料與土壤充分拌合，待其硬化后造成樁型固結物.本案例場址位于臺灣宜蘭縣羅東運動公園附近變電所用地內(Lin et al., 2012)，根據鉆探結果，本基地地層在地表下24 m內主要為粉土質砂(SM)偶夾有低塑性粉土(ML)及不良級配礫石(GP)，因抗液化強度不足需進行地盤改良，改良深度從地表下5.5 m到20 m，改良樁樁徑為1.2 m，樁距為2.8 m，整體設計改良率(置換率)為14.43%.為了對改良成果進行檢驗，除進行鉆探取樣及標準貫入試驗外，另配置有四條瞬態面波法測線L1—L4(圖5a)，評估瞬態面波法在改良后含柱體之復雜地層中的表現，并探討面波在土壤改良成效評估的應用，其中瞬態面波法采用5.5 kg的重錘作為震源擊發訊號，并以4.5 Hz之地音器，間距2 m，共24個組成46 m長的測線進行數據采集，在地盤改良施作前后各進行一次量測，比較改良前后地層震測反應與波速的差異.

瞬態面波法的試驗成果如圖5b,5c,5d所示.將現場收錄所得時間域數據進行頻散曲線分析可得圖5b之頻散曲線，特別以波長對應相位速度表示，圖中可觀察到改良前后的頻散曲線明顯分為兩群，改良前測線相位速度約在150～165 m·s-1之間，改良后頻散曲線提升至175～200 m·s-1左右，僅依頻散曲線結果，約有15%的提升率.將上述所得之頻散曲線使用美國Kansas Geological Survey所發展之Surfseis 1.80軟件進行反演分析，反演參數中為避免過度解讀采用7層土層，得地層剪力波速剖面如圖5c所示，圖中顯示改良后之地層剪力波速皆較改良前為高，其剪力波速在不同深度上之提升在12%～20%間(圖5d)，且在深度12～20 m間剪力波速提升率約在15%.圖5c中另有一項結果值得說明，在測線規劃上，L1及L4測線有通過改良樁，而L2及L3并未通過，然而比較位于樁上的L1、L4測線結果與布設于樁間的L2、L3測線改良后結果卻十分相近.此結果顯示瞬態面波法在設計樁徑1.2 m、樁距2.8 m之高壓噴射灌漿改良場址無法區別出樁體與樁間的差異，圖5b顯示表面波施測結果之最小波長約為5 m，造成此一結果的可能原因在于瞬態面波法在垂直測線方向的影響范圍同時涵蓋樁體區域與樁間區域，使得量測結果為灌漿后土體的整體綜合表現，而此一結果亦正是建議采用瞬態面波法進行地盤改良工法檢測的特點.瞬態面波法將改良后的復雜地盤均值化，并有效反應剪力波速在改良后的提升，但由瞬態面波法所量測到的速度提升代表什么意義，其量化的判釋需要進一步探討.

3 物探工程應用的挑戰與對策

前節介紹了許多成功案例與新的應用方向，對于淺地表地球物理技術在巖土工程應用的推廣起了鼓舞作用，但物探方法亦有諸多限制，且探測結果與工程量化判釋的關系往往沒有那么直接.本節嘗試從工程師的角度系統性的提出物探在工程大量應用的挑戰與瓶頸，包括如何提升勘探數據的客觀性、數據反演非唯一性問題、勘探深度與分辨率的限制、實際條件違背反演基本假設的情況、以及地物性質與工程性質鏈接的不確定性問題，并進一步舉例說明這些問題的相關研究進展與實務對策.

3.1 反演的非唯一性

大部分物探方法皆須經由反演求得待測物里參數或影像剖面，反演方式主要采取誤差成本函數(Cost Function)的優化方法(Optimization Method).但這個過程經常不具有唯一性，工程師因為缺乏這方面的了解，而缺乏對于物探反演結果可能存在限制的認知.反演的非唯一性的原因可以歸納為三類：(1)物理現象本身的非唯一性；(2)量測信息在空間與頻率內涵的局限性；(3)反演的過度收斂與局部優化問題.

物理現象本身非唯一性的典型例子是折射震測的初達波走時曲線，夾相對低速層或高速層上方的薄層的情況均無法反應在初達波的走時曲線，這是折射震測原理無法避免的限制.因此，當地質條件較為復雜時，折射震測或地表的走時層析成像方法可能不能獲得正確的信息，例如利用這些方法勘查地下孔洞或弱帶便不太適用.因此工程師需要認知，當在較復雜地質條件下需要速度影像時，盡可能采用跨孔走時層析成像技術，如圖1之案例所示.

第二類非唯一性問題，來自于量測信息在空間或頻率內涵的局限性.進行野外探測，需要利用有限的設備資源進行數據采集，因此電極與受波器不能無上限的密集；又或震源所能產生的帶寬有限，例如圖5b顯示所產生最高頻率所對應的波長不小于5 m，因此無法良好解析深度小于5 m的剪力波速.工程師解讀物探結果時必須要有重要施測參數的概念，并遵循樸素原則(Law of parsimony)或奧卡姆剃刀原理(Ockham′s Razor)，亦即在建構反演模型時，采用盡可能簡化的模型來達到足夠擬合量測結果的反演，避免過度追求降低擬合誤差而將網格數量或層數過度增加.

第三類非唯一性問題與反演的數值算法有關，逆問題通常是不適定的(ill-posed)，連續問題是必須使其離散，以取得數值解，當以有限精度或存有錯誤的數據求解時，反演可能無法合理承受這些數值的不穩定性，因此必須將反演規范化(Regularized)，如解的平滑性.雖然如此，若設定過度嚴格的收斂條件，可能會因為量測誤差與過度擬合造成不合理的假現象.另一方面，誤差成本函數的優化問題可能因為問題的高度非線性而在局部優化區收斂到不正確的結果，因此在反演初始值的設定必須盡量合理，例如ERT采用Pseudo-section的結果，瞬態面波法則參考頻散曲線.但這不見得永遠行得通，以我們在探討ERT在堤防或大壩的檢測為例，當透過數值正演模擬一均質壩體模型時(見圖6a)，因為地形變化的因素，所獲得之Pseudo-section具有相當程度的變異性(見圖6b)，可能因為地形修正算法的關系，當我們亦如往常采用Pseudo-section作為初始模型時，反演的結果與實際情況存在不合理的差異(見圖6c)，若假設初始模型為均勻的平均視電阻率，則可獲得顯著合理的結果(見圖6d).

由此可知，物探方法反演受到含誤差的有限量測資料及收斂上的限制等問題，結果并非唯一；因此對于反演結果的詮釋必須抱持謹慎態度，以避免過度解讀施測成果.建議可多測試不同的反演初始模型，并盡量納入在先(Prior)的工程信息.在地球物理探測技術的研究上，朝向搭配不同物探方法進行聯合反演，以及評價施測結果(Model Appraisal)的方法，有其必要性.

3.2 潛在陷阱——條件違背反演基本假設

有些物探方法本質上是一維的方法，例如瞬態面波法；有些方法則已從簡易的一維方法演化為二維甚至真三維的方法，例如電阻率層析成像法.但在巖土工程的應用上，因為現地條件或費用上的限制經常不允許三維的探測，截至目前為止，線性布線方式及所對應的一維或二維反演，仍然是物探在巖土工程應用的主流.工程師甚至野外物探師通常認為透過這樣的施測方式，可以獲得線性測線所在位置下方的剖面，而忽略了當現地條件顯著違背一維或二維基本假設時的影響.

以多道瞬態面波法為例，能夠獲得類似圖4的結果，對巖土工程師而言是具有相當吸引力的，但此圖并非二維反演的結果，而是多組一維反演結果合并呈現的結果.在面波頻散曲線的反演運算中，采用的正演模式假設地層為水平層狀，亦即假設在空間上并未有側向變化存在.在展開的施測測線中，為了量測長波長的相位速度以達到較深的探測深度，需要使用較長的測線展距，在實際的近地表地層中，較長的測線展距表示其可能存在側向變化地層的可能性增加，造成不符合水平層狀地層之假設.圖7為一簡化的例子，用以說明瞬態面波法的側向變化效應(二維效應)(Lin C P and Lin C H, 2007)，該簡化例模擬于近地表有垂直斷層的地層上進行多道瞬態面波法，側向各點為簡易的雙層地層，但地層在斷層處產生側向變化.數值仿真采用四階速度應力錯置網格有限差分法(Levander, 1988)，模擬24個間距為1 m受波器組成的測線在不同水平位置的面波頻散曲線，如圖7b、7c、7d所示，并與斷層兩側水平地層的理論頻散曲線比較，可觀察到測線自覆土層較厚的地層轉變至覆土層較薄的表面波結果差異.當測線逐漸往右側移動時，視頻散曲線(白色圓點)亦有自左側理論頻散曲線移往右側理論頻散曲線之現象，但由于側向的變化，使得即使測線中點在左側地層中點或右側地層中點時，頻散曲線在低頻部分區域與理論解產生差異，顯示瞬態面波法試驗所獲得之視頻散曲線其所反應的并不只是深度方向上的地層信息，對于側向上的地層訊息亦一并反應.倘若僅以深度上的訊息看待進行分析，將會對地層參數在深度上有所錯估.由本簡化模擬案例之結果來看，側向變化的影響主要反應于對側向變化位置解析能力之降低上，但若地質條件變化更復雜，則可能產生不易解釋的速度變化.

圖6 電阻率層析成像法不同初始模型反演結果比較Fig.6 Comparison of inverted cross-sections from different initial models in ERT

圖7 側向變化地層對面波頻散曲線影響的簡例(a) 三條鄰近地層側向變化處之測線布設情形; (b)—(d) 前項測線相對應之頻散曲線分析成果.Fig.7 A simplifed example illustrating the effect of lateral heterogeneity on MASW dispersion analysis(a) Three cases of geophone spread near the vertical step of the two-layer step structure; (b)—(d) f-v amplitude spectra for each case.

再以ERT探測為例，鑒于圖2土石壩滲漏調查案例的應用效果良好，目前臺灣積極嘗試推動物探方法在大壩與堤防檢測的應用，但圖2屬于特殊案例，一方面壩體的心層因為加高的因素往上游傾斜，使得壩頂測線與下游壩面測線主要在勘查下游殼層.當物探方法主要在檢測或監測壩體或堤防心層完整性時，可能遭遇一項瓶頸，即壩頂測線的施測結果可能受到壩體材料在垂直測線方向的變異及測線外水位變動的影響.圖8為采用二維地電阻影像剖面法應用于土石壩的檢測，一般為大范圍的檢測，測線位于壩頂沿壩軸方向(見圖8a).現代壩的設計通常在剖面上為材料分區類型，心層、上下游殼層及濾層材料不同，因此在垂直壩軸方向的材料剖面有明顯變化，且上游側的水位亦會造成電流與電場分布的變化.雖然測線正下方的電阻率設定為均質，當該施測結果以二維進行反演時(見圖8b)，所得之反演結果(見圖8c)即因不符合二維假設而引致三維映射效應之擾動.除非能夠進行真3D的施測與反演，目前主流的線性測線施測方法難免會有2D或3D效應，實務上的建議是測線在規劃時盡量選擇可以降低2D或3D效應的位置，若無法避免，可以采用3D模擬進行施測或判釋結果的評價，避免過度解讀施測成果并確認成果的可信度.

3.3 勘探深度與分辨率

近年來淺地表物探方法在勘探深度與解析能力有顯著的發展，但往往與工程師的認知或期待仍有所落差，有必要透過進一步研究與教育訓練來降低物探方法的過度承諾或工程師的過度期待.表1整理概述影響巖土工程常用淺地表物探方法勘探深度與分辨率的因子，其中折射震測有3.1節所述的學理限制，較無法解析地質條件復雜的速度構造；電阻率層析成像法之勘探深度能力較其他地面方法為佳，但隨著深度增加分辨率會明顯下降，且在低電阻率區域的下方與周圍解析能力較差；主動式瞬態面波法之勘探深度與測線展距成正比，主要適用在30 m以內之地層勘探，分辨率在淺層約為最小波長的一半，但也隨著深度增加會明顯下降，側向分辨率主要取決于測線展距，因此展距的選擇在勘探深度與側向分辨率的雙重考慮下形成拉鋸.由于工程師對于分辨率的要求甚高，因此結合鉆孔的施測方法有增加的趨勢，藉由鉆孔可以增加勘探深度與深層分辨率，但跨孔走時層析成像探測之解析能力在跨孔組成的矩形區域并非均勻的，中間區域的上方與下方的解析能力較差，因此兩孔的間距不能過大.

圖8 壩頂二維電阻率層析成像之三維效應示意圖Fig.8 Illustration of 3D effect for 2D ERT survey on dam crest

表1 影響巖土工程常用淺地表物探方法勘探深度與分辨率的因子Table 1 Factors affecting the investigation depth and resolution for near surface geophysical methods in geotechnical engineering

除了表1所含的跨孔(震波或電磁波)走時層析成像勘探，電阻率勘探亦可采用跨孔或孔對地面的方法，但相較于走時層析成像探測方法，其施測方式(電流與電位極的排列方式)較無一致性的作法，雖然藉由鉆孔可以增加勘探深度與深層分辨率，但如何施測可優化跨孔組成之矩形區域的分辨率，值得進一步探討.

從地球科學到工程應用，物探方法往往需要縮尺與提高勘探分辨率，表1概述了目前物探方法在巖土工程實踐中解析能力的特性與挑戰，期望能讓使用者有具體的認知，而相關的研究能針對這些挑戰研究精進.下面以巖土工程極具潛力的多道瞬態面波法為例，說明提升側向分辨率的研究努力.如前所述，縮短震測展距減少側向變化的影響，并提高二維剪力波速剖面造影的側向分辨率；但另一方面，縮短測線長度將有可能造成勘探深度的不足或頻散曲線多重模態的解析能力.為克服此一瓶頸，Lin C P和Lin C H(2007)提出實質提高側向分辨率的瞬態面波法，如圖9所示，其概念是固定短展距地音計位置，藉由多次改變震源炸點位置，再根據震源與受波器的支距(source-to-receiver offset)將震測數據整合，仿真出如同在實際短展距的地層內所得到的長展距震測資料.此作法與Walk-away炸測并無不同，但因測線外地層可能存在側向變化，使得整合不同炸點數據時，存在一相位角飄移的靜態的誤差，此一靜態誤差與頻率有關，不同的頻率下會有不同的誤差值.為消除此靜態誤差，在將各個震源數據整合時需先進行彌合(seaming)的動作，概念上是強迫不同震源在相同的波傳距離要有相同的相位角，此相位角補償的靜態修正可以優化的方式處理(Obando et al., 2010)，目前此一作法在單一模態控制的情形效果甚佳，但當有多重模態時，相位角補償的靜態修正方法需要進一步的研究.

圖9 高側向分辨率瞬態面波法概念說明Fig.9 Illustration of the high-lateral-resolution surface wave method

3.4 物理性質與工程性質或問題的鏈接

不同地層介質的P波速度、S波速度、介電度及導電度均有很大的重迭范圍，以導電度(電阻率)為例，其影響因子包含了土壤種類、孔隙率、飽和度、水質鹽度、污染種類/濃度等.物理性質與工程性質或問題確實存在某種連結，但其彼此間常無強烈的一對一關系，僅透過單一種物探方法所獲得之物理性質推求或推論其相對應之工程性質有極大不確定性存在，若工程師不了解此一問題，則容易受到有限的信息蒙蔽而給出錯誤或偏頗的判斷.針對此一問題，根據作者長期實踐以來之經驗提出三種可能之改善對策，分別是多物理量整合判釋、時間序列量測以及具物理基礎之定量分析.

多物理量整合判釋：單一物理量僅反映工程性質之某一面向，透過多個不同物理量的整合可有助于將不確定性逐步降低，增加判釋的準確性.以前述之土壤液化潛能評估案例來說，低剪力波速區雖可能表示其剪力強度較弱，但并不一定表示其為較松散之砂性土壤，其亦可能是軟弱黏土，而黏土并沒有液化之疑慮；若此時有現場鉆孔數據或電阻率影像勘探數據輔助，鉆孔可直接顯示其土壤種類，而在電阻率影像中，黏土將呈現低電阻性質，如此透過至少兩種物理量之整合判釋，可使不確定性大為降低.又如堤防安全檢測應用(Inazaki et al., 2011)，堤壩的安全性問題取決于其材料強度與透水性，堤防具高強度且較不透水會有最佳的安全性，若欲以地物探測方法快速定性進行安全性篩檢，可透過剪力波速以及電阻率之同時勘查進行.高剪力波速表示高強度，但亦可能是較大粒徑之砂石(透水性高)存在，而高電阻率可驗證后者存在的可能性，因此若將同一位置之剪力波速與電阻率聯合以兩向垂直坐標分類，則可以較具危害之第三象限(低剪力波速，高電阻率)作為更有效的篩選目標.

時間序列量測：時間序列量測主要是在相同測線位置采用相同的量測參數，以固定的時間頻率進行施測，而得到一系列具有時序性的物探剖面.此量測方式的幫助在于由于量測位置相同，因此我們可以確定量測所得物理量的變化來自于與時間相關的變動因子，而加以掌握勘探所得之工程性質變化.本文以水庫滲漏調查的案例繼續延伸，示范如何利用時序數據增加工程問題判釋的明確性.該案例另于下游殼層面之測線定期反復施測，藉由時間序列反演分析采集電阻率影像隨時間變化之情形，如圖10所示.由于電阻率同時受到水文與地質因子的影響，從單次的施測結果很難斷定低電阻區即為異常滲漏，下游殼層面的時間序列反演結果影像乍看之下大同小異，并無特別不同，但若進一步將各區電阻率監測數據與監測期間降雨量及庫水位進行分析，發現低電阻區之電阻率長年維持穩定狀態，與降雨關系不大.反而是在高電阻區之電阻率與降雨量具有高度相關性，此現象才屬于殼層中的正常反應，隨著降雨入滲電阻率慢慢增加，長期未降雨，入滲由下方濾層排除后電阻率漸漸升高.由此監測數據分析可歸納勘探結果之低電阻區應為壩體存在相對不透水層阻隔了降雨的向下滲流，造成殼層內存在地下棲止水長期接近飽和狀態.本研究展示整合電阻率影像之時間序列結果與相關之水文監測數據，對于異常滲漏機制可獲得更明確的掌握，進一步支持所推論之滲漏機制.

圖10 地電阻率時序數據與庫水位以及降雨量之關系：(左)低電阻區；(右)高電阻區Fig.10 Time-lapse resistivity in relation with reservoir water level and precipitation in the low resistivity (left) and high resistivity (right) zone

圖11 (a) 柱狀改良工法的3D建模； (b) 瞬態面波法剪力波速提升率與改良置換率之關系圖Fig.11 (a) 3D modeling of ground improvement with improvement columns; (b) Relationship between the ratio of S-wave velocity increase measured by MASW and ground improvement ratio

具物理基礎的定量分析：相較于電學性質，剪力波速與巖土工程性質具有較直接、較強的連結，因此在對剪力波速之結果可透過具物理基礎之分析獲得定量結果，如圖4所示之液化潛能.但前述面波在地盤改良應用之案例，在地盤改良后之復雜復合土體，透過多道瞬態面波法獲得其改良前后剪力波速有所提升，但此波速提升該如何解讀并回饋提供給巖土工程師何種分析與設計之關連性？地物探測結果與工程問題需要進一步具物理基礎的定量分析.為回答此一問題，我們先從一維不同介質(原介質與改良質)的串并聯，利用等效模數與等效波傳分別建立速度提升率與置換率關系的上界與下界，并透過參數研究發現當改良質的勁度大于原介質五倍以上，速度提升僅由置換率決定.速度提升率與置換率實際的定量關系必須透過與實際情況相吻合的二維或三維模型進行仿真，如圖11所示，進行不同改良率(置換率)之面波試驗三維數值模擬，從模擬結果可建立改良前后剪力波速提升率與現場改良率的定量關系，工程師可透過瞬態面波法控制與確認土壤改良置換率，再由此比例及土壤與改良體的材料性質進行工程力學分析.

3.5 探測標準化與客觀化

除了反演分析之外，地球物理勘探常因不同執行者而有不同的作法與數據產生方式，造成工程師對于物探產生不具客觀性的印象.不同于科學研究，工程工作常需要一定的設計規范與試驗標準，以確保相關工作的一致性.美國材料與試驗協會(American Society for Testing and Materials International, ASTM International)所頒布的試驗標準為巖土工程試驗主要參考的依據，對于地球物理勘探技術，目前除了跨孔與下孔震測有ASTM標準(ASTM D4428; ASTM D7400)外，其他方法并無工程試驗的標準，僅有物探方法選用導引(ASTM D6429)及其中部分方法的試驗導引.主要原因除了地球物理勘探技術仍在積極發展中，更因為各勘探方法之施測參數、勘探目的以及分析方法皆仍存在有優缺點之論證以及不被了解之問題，有賴投入更多之研究動力加以厘清并制定.

相較于直流電法，以走時為分析基礎的震波或電磁波勘探需要人工的前處理，初達波挑選工作是最為明顯的例子.目前的作法多采用以人工手動挑取初達波的走時分析方法，然而手動挑波結果往往因分析人員的經驗、訊號質量優劣而有差異，當數據量多繁雜時，相當費時費工；而當波的訊雜比(signal to noise ratio)較低時，判讀上的困難將使其難保正確性；此外，手動挑取之初達時間往往只在時間域上判釋，并無法得知其所得速度之頻率范圍.為提出一較具客觀性之挑波方式，并且將震波訊號之頻率特性表現出來，Lin等(2013a)從訊號分析的角度，以時頻分析進行有效的濾波，并在適當的頻率范圍內進行走時分析.此較具客觀性的挑波方法流程是先行以目視初步判斷初達波的概略位置，便于施加時窗函數的前處理，而后再進行時頻分析(圖12a)，根據時頻譜能量分布選定分析頻率范圍，針對分析頻率范圍之波動(圖12b)進行初達波振幅起始點挑取自動分析(圖12c,12d)，最后將頻率范圍內所得之各頻率下的波速平均，如此達到可較不受人為判斷影響之半自動化的客觀走時分析過程.

再以面波勘探為例，目前其現場施作就存在有雙道以及多道的施作差異，亦有采用定頻震動源以及沖擊式震動源的差異，而根據其現場施作差異而產生有不同的頻散曲線分析方法，不同頻散曲線分析結果之后還存在有不同的反演策略，此些差異造成試驗標準化的困難.此外，該如何考慮現場施測可能存在的近場效應、遠場效應、勘探深度、側向探測分辨率等問題，提出具通用性的現場施測參數選用、頻散曲線分析方法等以利制定標準化試驗流程以提升其推廣性，皆有賴后續研究工作之努力.

4 結論

在巖土工程適用性較高的淺地表物探方法包括震波/電磁波走時速度層析成像探測法、電阻率層析成像法及多道瞬態面波法，本文以案例的方式介紹這些新興方法在巖土工程應用的臺灣經驗，主要包括地層土壤液化潛能評估、結構物的安全檢測、土石壩異常滲漏檢測、土壤與地下水污染調查及地盤改良的質量管控等.雖然許多成功案例與新的應用方向對于淺地表地球物理技術在巖土工程應用的推廣起了鼓舞作用，本文從工程師的角度歸納探討物探在巖土工程應用面臨的挑戰與瓶頸，并舉例說明相關研究的進展與實務對策.希冀透過上述探討，降低物探師與工程師認知上的差距，提升物探在工程的應用的合理性與普及性.結論可歸納為以下五點：

(1) 物探方法的反演受到含有誤差的有限量測數據及收斂上的限制等問題，常不具唯一性，對于反演結果的詮釋必須抱持謹慎態度，避免過度解讀施測成果.建議可多測試不同的反演初始模型，盡量納入在先的工程信息，并朝多種物探方法聯合反演發展.

(2) 目前巖土工程的應用主要仍以線性布線方式及所對應的一維或二維反演為主，必須注意當現地條件顯著違背一維或二維基本假設時的可能影響.實務上應在測線規劃時盡量選擇可以降低2D或3D效應的位置，若無法避免，可以采用3D模擬進行施測或判釋結果的評價，避免錯誤的解讀并確認成果的可信度.

(3) 巖土工程應用對于地物探測分辨率的要求往往遠高于地球科學應用，可善用鉆孔輔助增加探測深度與深層分辨率，也有必要透過進一步研究與教育訓練來降低地物探測方法的過度承諾或工程師的過度期待.

圖12 走時分析標準化(a)時頻分析; (b)選定之分析頻段; (c)—(d)自動化初達波振幅起始點挑取方法演算過程.Fig.12 Illustration of an objective travel-time picking process(a) Wavelet transformation and selection of targeting frequency range; (b) Narrow-band signal within the selected frequency range; (c)—(d) Illustration of first-arrival time picking algorithm

(4) 物探的性質與工程性質或問題常沒有足夠強烈、明確的連結，此問題的對策包括聯合應用多種方法整合分析判釋，利用時序監測數據增加額外信息，以及盡可能進行具物理基礎的定量分析.

(5) 工程工作常需要一定的設計規范與試驗標準，以確保相關工作的一致性.為了提升物探在工程的應用的普及性，有必要發展較客觀的標準化程序，并推動相關試驗規范的制訂.

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(本文編輯 何燕)

Applications and challenges of near surface geophysics in geotechnical engineering

Chih-Ping Lin1, Chun-Hung Lin2, Po-Lin Wu2, Hsing-Chang Liu2, Ying-Chun Hung3

1DepartmentofCivilEngineering,NationalChiaoTungUniversity,Taiwan,China2DisasterPreventionandWaterEnvironmentResearchCenter,NationalChiaoTungUniversity,Taiwan,China3DepartmentofUrbanPlanningandLandscape,NationalQuemoyUniversity,Kinmen,Taiwan,China

Geophysical exploration methods have been applied to geotechnical engineering problem since their early developments. However, the results often do not live up to engineers′ expectations. Works still need be done before we see the widespread use of geophysical methods in engineering practice. This study provides an overview of newer developments and applications of near surface geophysical techniques in geotechnical problems. More importantly, the limitations and challenges of current geophysical methods in this context are identified and possible countermeasures are proposed.Near surface geophysical techniques, such as travel time velocity tomography, electrical resistivity tomography (ERT), and multi-channel analysis of surface wave (MASW), have advanced significantly in the last couple of decades within the scientific community. The applications of these methods in Taiwan′s geotechnical problems are first examined, including assessment of liquefaction potential, evaluation of dam safety, investigation of soil and groundwater contamination, and quality control and assurance of ground improvements. The seismic travel time tomography was selected to examine the integrity of a concrete dam in terms of P-wave velocity. ERT was used to investigate abnormal seepage in earth dams and soil and groundwater contamination. Shear-wave velocity profiles non-destructively obtained by MASW are relevant to many traditional geotechnical problems, in which the quantitative assessment of liquefaction potential and ground improvements were particularly presented. The effectiveness of these applications is discussed from an engineer′s perspective, and the associated challenges and practical countermeasures are systematically addressed.The velocity imaging of the concrete dam was quite successful and promising, allowing the engineer non-destructively “CT scan” the strength of the dam body. ERT works in a similar fashion for water-related problems. However, the results on abnormal dam seepage and groundwater contamination were less conclusive since the resistivity depends both on pore-water properties and geological factors. So it′s important to integrate geological background and results from geotechnical investigation or monitoring. In addition, time-lapse geophysical measurements together with geotechnical monitoring reveal additional information and are valuable for geotechnical process control, such as groundwater remediation and ground improvement. Shear-wave velocity, which has a stronger link to geotechnical stiffness property, is now readily measured by MASW. Its applications on assessment of liquefaction potential and ground improvements were quite effective, at least qualitatively. However, MASW is basically a 1-D method and does not provide S-wave velocity image with high spatial resolution. Many limitations and potential pitfalls of geophysical methods exist but are not apparent to end users. They are systematically discussed from an engineer′s perspective. The non-uniqueness nature and weak link to engineering parameters are common problems of geophysical methods. Reasonable inversion results should be obtained with sufficient a priori information and proper initial models. More conclusive or quantitative engineering interpretation can be achieved by data fusion, time-lapse measurements, and physics-based quantitative modeling. Different assumptions and limitations of investigation depth and spatial resolution are inherent in each geophysical method. They are summarized and made clear to avoid overpromise and over-interpret geophysical results. Some examples of practical countermeasures are illustrated. Finally, researches towards the standardization of geophysical methods are suggested to ultimately promote their widespread use in engineering community.Although successful case studies and innovative applications have strengthened the contribution of new geophysical developments to geotechnical problems, several challenges are identified for more common practice of geophysical surveys in engineering applications from an engineer′s perspective. These include the lack of standard in data reduction, non-uniqueness of data inversion, limitations of exploration depth and resolution, field conditions violating model assumptions, and the weak link between geophysical parameters and engineering parameters. Relevant researches and practical countermeasures regarding these issues are partially discussed herein. More rational and widespread use of geophysics may be realized through the understanding of the limitations and potential pitfalls of geophysical techniques and researches to overcome them.

Near surface geophysics; Geotechnical applications; Traveltime tomography; Electrical resistivity tomography; Multi-channel analysis of surface wave

林志平，男，教授，1972年生，1999年美國普渡大學博士畢業，主要從事電磁波感測技術、地球物理在巖土工程應用、反演與可靠度分析等方面的研究與教學工作.E-mail: cplin@mail.nctu.edu.tw

10.6038/cjg20150806.

10.6038/cjg20150806

P631

2014-12-22，2015-07-15收修定稿

林志平， 林俊宏， 吳柏林等. 2015. 淺地表地球物理技術在巖土工程中的應用與挑戰.地球物理學報，58(8):2664-2680,

Lin C P, Lin C H, Wu P L, et al. 2015. Applications and challenges of near surface geophysics in geotechnical engineering.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(8):2664-2680,doi:10.6038/cjg20150806.